一种热采井水泥环封固完整性的评价方法与流程

本发明涉及一种评价热采井水泥环固井封固完整性的方法，属于石油天然气勘探开发领域。

背景技术：

固井时是向井内下入套管，并向井眼和套管之间的环形空间注入水泥的施工作业。固井后，套管-水泥环-地层组合体会胶结在一起，良好的胶结起到保护套管、支撑地层、封固油气层的作用，对安全高效生产有着重要的影响。但是，由于固井时的操作失误或是油气生产开发过程中的恶劣环境，导致水泥环封固失效情况的发生。如何提高套管与井壁间水泥环的密封质量、提高水泥环的强度时固井工程长期关注的问题。固井水泥环的力学性能，影响着固井的质量和油气井的寿命。现今全球剩余的石油资源中，稠油资源远远超过常规原油，稠油将是21世纪的重要能源之一。目前国内外稠油开采主要方式为蒸汽吞吐和蒸汽驱，热力采油时蒸汽温度高达380℃。在热采条件下，水泥石在高温下将不可避免的发生抗压强度衰退、渗透率增加等现象，水泥石的稳定性遭到破坏，井筒层间封隔效能失效，井口冒汽冒泡严重，导致层间气窜和环空带压，套损严重，大大缩短稠油井的生产寿命，影响稠油热采井开采效率，造成严重的经济损失，同时，酸性气田还可能对环境造成污染，给公众带来危害。根据辽河油田、克拉玛依等国内稠油生产区块现场数据统计，稠油井套损率高达50％，因水泥环层间封隔失效问题导致停产的井每年以10％的比例逐年上升，井口带压及井场周围冒汽冒泡、层间互窜严重。目前，对于常规地层油气井固井封固完整性的分析较多，而对于注汽井水泥环封固完整性的分析评价较少，这就对注气开发井建设和生产过程中风险的识别和控制造成阻碍，对于保证注气开发井固井作业安全及油气井长期高效开采，保证注气开发井固井水泥环的长期封隔稳定性存在很大的局限性。

技术实现要素：

针对背景技术中存在的问题，本发明的目的是为了提供一种热采井高温高压环境下水泥环封固完整性的评价方法，该方法不仅对温度造成的水泥石性能下降进行分析，而且对外力作用下(温度、压力、注入流体等)水泥石本体失效和界面失效进行分析评价，从而建立了一套完整的力学体系。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种热采井水泥环封固完整性的评价方法，包括以下步骤：

1)获取热采井施工参数；

2)对水泥石进行不同温度条件养护并测试其性能，包括抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比；

3)基于1)、2)的数据，建立套管-水泥环-地层组合体的热传导模型；

4)将热传导模型计算得到odb文件；

5)基于1)、2)的数据，建立套管-水泥环-地层组合体的热流固耦合模型；

6)对导入odb文件的热流固耦合模型求解并分析数值结果，分析内容包括水泥石的温度分布、水泥石的周向应力、剪切应力以及一二界面是否出现微环隙。

其中步骤1)中各种参数可以由施工现场获取，并代入步骤3)和5)。步骤2)中可以通过实验室对水泥石测试获得，并代入步骤3)和5)。

优选的，所述步骤1)中热采井施工参数包括井口注蒸汽参数、井身轨迹参数、套管的属性参数、地层的属性参数、水泥石的属性参数以及目标层位载荷；所述井口注蒸汽参数包括注蒸汽压力、温度、速率、注蒸汽时间；所述井身轨迹参数包括套管尺寸、套管壁厚、环空尺寸、所钻井眼尺寸、目标层位深度；所述套管的属性参数包括密度、弹性模量、泊松比、热膨胀系数、热传导率；所述地层的属性参数包括密度、弹性模量、泊松比、热传导率、热膨胀系数、孔隙度、渗透率；所述水泥石的属性参数包括密度、热传导率、热膨胀系数、孔隙度、渗透率；所述目标层位载荷包括温度、压力；

优选的，所述步骤1)中目标层位载荷计算方法如下：

1)井筒内温度变化：将油管内的蒸汽温度看作与地面温度一致，即

t＝tsur(t)(0＜t≤tend)(1)

其中，t为时间；t为蒸汽温度，℃；tsur(t)为地面温度，℃；

地面温度指蒸汽地面注入时的温度。

2)井筒内压力降计算公式为：

其中，p-平均压力，pa；z-井深，m；d-输汽管线的内径，m；ap为油管截面积，m²；is-蒸汽质量流量，kg/h；qg-蒸汽体积流量，m³/h。p、is、qg均为现场施工确定。

ρm为密度，kg/m³，其计算式为：

式中，m为气体分子量，无因次；r为通用气体常数，一般为r＝8.314j/(mol^-1·℃^-1)；γ为气体比重，无因次；tf为气体温度，℃。

vm为速度，m/s，其计算式为：

式中，q为注蒸汽流量，m³/d，现场施工确定。

气体压缩因子z的计算式为：

a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8分别取值为

a1＝0.31506237、a2＝-1.0467099、a3＝-0.57832729、a4＝0.53530771、a5＝-0.61232932、a6＝-0.1048813、a7＝0.68157001、a8＝0.68446549

式中，a1-a8的取值采用现今普遍认同的dranchuk、purris和robinson的方法，通过经验公式确定；tpr为井下某一位置处的温度，℃，由tf迭代求得，或可简化为与tf相等。

fm为湿蒸汽流体的摩擦阻力系数，其计算式为：

式中，e为管柱内壁绝对粗糙度，普通油管一般取4.57×10^-5；

re为气相雷诺数，无因次，计算式为

μm＝μs^1-h·μw^h(8)

vm＝xvs+(1-x)vw(10)

式中，vt为套管体积；μs和μw分别为气态和液态水的粘度；vw和vs分别为注入的液态水和气态水的体积；vm和h为中间过渡量；

x为干度，计算式为：

式中，

c1＝is(hs-hw)(12)

式中，q为井筒热损失，w；hs为汽化潜热焓，hw为水的显热焓；采用w.s.tortlke及s.m.farouqail的计算方法；hm为总热焓，kj/kg，计算方法为：

hm＝xhs+(1-x)hw(15)

优选的，所述步骤2)中，首先利用常温养护箱(50℃)养护两天，转入高温养护釜养护两天，养护温度区间为50-380℃，使用压力机进行抗拉强度测试，利用巴西劈裂实验破坏载荷计算抗拉强度的方法为：

其中，σt为抗拉强度；d为试件直径；l为试件厚度；p为破坏载荷。

优选的，所述步骤3)、步骤5)中，模型建立不使用tie约束，即允许组合体脱开。

优选的，所述步骤3)中，热传导模型的建立步骤为①建立部件；②施加属性；③装配部件；④施加分析步；⑤添加相互作用；⑥施加载荷；⑦划分网格；⑧提交作业。

其中，步骤①建立部件：建立三个不同的部件，分别为套管、水泥环和地层，地层厚度为套管-水泥环组合体的10倍。建立部件所需的套管尺寸、套管壁厚、环空尺寸、所钻井眼尺寸由现场井眼轨迹参数确定。

步骤②施加属性：套管的属性包括套管密度、套管弹性模量、套管泊松比、套管热膨胀系数、套管热传导率由施工现场给出。地层的属性包括岩石的密度、岩石弹性模量、岩石泊松比、岩石的热传导率、岩石热膨胀系数、岩石孔隙度、岩石渗透率，水泥石密度、水泥石的热传导率、水泥石的热膨胀系数、水泥石孔隙度、水泥石渗透率均由施工现场地层报告确定参数，现常用的1000米地层模型参数的数据如表1所示。水泥环的弹性模量、泊松比与温度变化的关系较大，因此由步骤2)给出，设置弹性参数时，选择使用与温度相关的数据选项，输入步骤2)得到的水泥石弹性模量和泊松比数据以及养护温度数值。

步骤③装配部件：选择创建部件选项，进行套管、水泥环、地层的非独立实例的创建。

步骤④施加分析步：施加瞬态热传递分析步。

步骤⑤添加相互作用：在套管与水泥环、水泥环与地层间添加热传导属性。

步骤⑥施加载荷：在套管内壁添加温度边界条件，并添加预定义温度条件。

步骤⑦划分网格：选择对象为部件，网格类型为dc3d8。

⑧提交作业。

这里所说的热传导模型的定义为：用软件建立不同材质的部件，对套管内壁施加温度，利用热能由高温传向低温的特性，使温度在不同材质中传播。

优选的，所述步骤5)中，热流固耦合模型的建立步骤为①建立部件；②施加属性；③装配部件；④施加分析步；⑤添加相互作用；⑥施加载荷；⑦划分网格；⑧提交作业。

步骤①建立部件：建立三个不同的部件，分别为套管、水泥环和地层，地层厚度为套管-水泥环组合体的10倍。建立部件所需的套管尺寸、套管壁厚、环空尺寸、所钻井眼尺寸由现场井眼轨迹参数确定。

步骤②施加属性：套管的属性包括套管密度、套管弹性模量、套管泊松比、套管热膨胀系数、套管热传导率由施工现场给出。地层的属性包括岩石的密度、岩石弹性模量、岩石泊松比、岩石的热传导率、岩石热膨胀系数、岩石孔隙度、岩石渗透率，水泥石密度、水泥石的热传导率、水泥石的热膨胀系数、水泥石孔隙度、水泥石渗透率均由施工现场地层报告确定参数，现常用的1000米地层模型参数的数据如表1所示。水泥环的弹性模量、泊松比与温度变化的关系较大，因此由步骤2)给出，设置弹性参数时，选择使用与温度相关的数据选项，输入步骤2)得到的水泥石弹性模量和泊松比数据以及养护温度数值。

步骤③装配部件：选择创建部件选项，进行套管、水泥环、地层的非独立实例的创建。

步骤④施加分析步：施加分析步2个，一为地应力平衡分析步，一为瞬态土分析步；在套管内壁施加载荷，计算方法如式1-16所示，大小如图8、图10、图12所示，由实际施工数据确定。

这里所说的地应力平衡分析步的目的是自动平衡地应力，瞬态土分析步的目的是把水泥石-地层看作可渗透的岩石。

步骤⑤添加相互作用：在套管与水泥环、水泥环与地层间添加热传导属性。

步骤⑥施加载荷：在套管内边界施加目标层位载荷，在地层外边界施加孔隙压力为0的外边界，并施加预定义孔隙比和预定义温度。

步骤⑦划分网格：选择对象为部件，套管网格类型为c3d8r，水泥石和地层网格类型为c3d8p。

步骤⑧提交作业。

这里所说的热流固耦合模型的定义为：建立一个新的流固耦合模型，该模型存在流体和固体间的相互作用，把上述热传导模型中的结果，即部件的每个节点上的温度导入新建立的模型中，使温度对流固耦合模型施加作用。

表1常用套管-水泥环-地层参数表

优选的，所述步骤6)中，定义剪切失效因子和径向开裂失效因子分别为ηc和ηt，公式分别为：

当ηc和ηt超过1时，水泥环分别发生剪切失效和径向开裂失效；

对于微环隙的判别方法，使用

一界面ro＝rif-roc＞0

二界面ri＝ric-rot＞0(19)

式中，σi(i＝1,2,3)是水泥环中的最大、中间及最小主应力，mpa，步骤5中计算结果；是水泥石的内摩擦角，rad；σh为抗拉强度，步骤5中计算结果；σmax为实验结果，如图4所示，与水泥石养护温度有关；rif为套管中心至水泥环一界面的距离；roc为套管中心至套管外壁的距离；ric为套管中心至地层内边界的距离；rot为套管中心至水泥环外边界的距离，rif、roc、ric、rot结果均由步骤5)计算得出。

本发明同现有技术相比具有以下优点：

1)通过mogi-coulomb破坏准则将水泥石强度衰退与高温高压下水泥石破坏结合起来；

2)建立了热-流-固耦合模型，并能够正确的进行运算且得出相应的研究结果；3)本发明为一套完整的研究热采井固井封固完整性的方法，实现了只需利用现场注蒸汽参数，即可得到水泥环失效评价的方法。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明的技术路线示意图。

图2为热-流-固耦合模型的技术路线示意图。

图3为实施例中的不同温度下水泥的抗压强度。

图4为实施例中的不同温度下水泥的抗拉强度。

图5为实施例中的不同温度下水泥的弹性模量。

图6为实施例中的不同温度下水泥的泊松比。

图7为实施例中注蒸汽速率与井筒干度的关系。

图8为实施例中注蒸汽速率与井筒压力的关系。

图9为实施例中注蒸汽压力与井筒干度的关系。

图10为实施例中注蒸汽压力与井筒压力的关系。

图11为实施例中注蒸汽温度与井筒干度的关系。

图12为实施例中注蒸汽温度与井筒压力的关系。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

该实施例从施工现场获取热采井施工参数，包括井口注蒸汽参数(注蒸汽压力、温度、速率、注蒸汽时间)、井身轨迹参数(套管尺寸、套管壁厚、环空尺寸、所钻井眼尺寸、目标层位深度)、套管的属性参数(密度、弹性模量、泊松比、热膨胀系数、热传导率)、地层的属性参数(的密度、弹性模量、泊松比、热传导率、热膨胀系数、孔隙度、渗透率)、水泥石的属性参数(密度、热传导率、热膨胀系数、孔隙度、渗透率)。把获取的参数(或给定的数据，如表1)导入部件或属性，利用公式1-6计算目标层位载荷(包括温度、压力)，利用步骤2)获取水泥石弹性模量、泊松比参数。

将公式1-6进行求解计算，得到不同注蒸汽温度、不同注蒸汽压力、不同注蒸汽速率情况下井筒中压力和干度的变化，如图7-图12。

该实施例中采用的是目前常用的热采井固井水泥浆配方(嘉华g级水泥+硅砂)，钙硅比为1:1，水固比为0.44。使用50mm×50mm×50mm的标准模具对水泥石进行常温养护(50℃)，养护时间为2d，其目的是模拟固井时地层温度不高的情况。

待水泥石水化完全后，使用高温养护釜对水泥石进行高温养护2d，模拟热采井施工情况。养护温度分别为50℃、75℃、90℃、120℃、150℃、190℃、230℃、265℃、300℃、340℃、380℃。

养护完成后，使用取心机对水泥块进行取心处理，取心直径为25mm，取心长度为50mm。

对养护后的水泥块使用压力机测试其抗压强度，取心后利用巴西劈裂实验计算抗拉强度，计算公式如式7所示。利用三轴测试机测试不同养护温度条件下的弹性模量、泊松比，结果如图3-图6所示。

图3中，分段对不同温度条件下水泥的抗压强度进行拟合，得到抗压强度σc与温度t的关系为：

图4中，分段对不同温度条件下水泥的抗拉强度进行拟合，得到抗拉强度σh与温度t的关系为：

热传导模型建立：建立三个不同的部件，分别为套管、水泥环、地层，部件大小由现场获得的井身结构参数确定，包括套管尺寸、套管壁厚、环空尺寸、所钻井眼尺寸，地层厚度为套管-水泥环组合体的10倍，将上述得到的水泥石的弹性模量、泊松比与温度的关系数值以及现场得到的地层、套管和其他水泥环参数(或给定的数据，如表1)导入abaqus软件设为水泥石参数，设置水泥石弹性参数时，选择使用与温度相关的数据选项，输入步骤2)得到的弹性模量和泊松比数据以及养护温度数值。模拟高温水泥石强度衰退情况，建立热传导分析步，建立边界条件，施加温度边界条件，大小为步骤1)中施工现场给定的注蒸汽温度数据。分析步时间视注蒸汽时间而定，注蒸汽温度和压力施加部位为套管内壁，大小视模型计算结果而定。预定义温度设为地层实际温度。套管-水泥环-地层的单元均为dc3d8。

提交作业并运行完成后，在工作路径下找到热传导模型的odb文件，此文件记录了套管-水泥环-地层组合体中不同时间不同单元和节点的温度分布，为后续热流固耦合模型的建立提供条件。

热流固耦合模型建立：同样的，建立三个不同的部件，分别为套管、水泥环、地层，部件大小由现场获得的井身结构参数确定，包括套管尺寸、套管壁厚、环空尺寸、所钻井眼尺寸，地层厚度为套管-水泥环组合体的10倍，将上述得到的水泥石的弹性模量、泊松比与温度的关系数值以及现场得到的地层、套管和其他水泥环参数(或给定的数据，如表1)导入abaqus软件设为水泥石参数，设置水泥石弹性参数时，选择使用与温度相关的数据选项，输入步骤2)得到的弹性模量和泊松比数据以及养护温度数值(式11、式12或图5、图6)。模拟高温水泥石强度衰退情况，建立两个不同的分析步，第一个分析步用于自动平衡地应力。第二个分析步为土体分析步，用于施加流固耦合模型，场输出选中nt(节点温度)、temp(单元温度)、coord(节点坐标)等需要考虑的值。在第二个分析步中建立压力载荷，载荷大小为步骤1)中计算的目标层位压力数据，将地层外边界定义为孔隙压力边界，孔隙压力为0。在预定义场中，在第二个分析步中施加预定义温度场，温度场的区域选为全部部件，将odb文件导入，此为热流固耦合模型最关键的一步。最后根据实际地层参数设置初始地应力并采用自动平衡地应力的方式平衡应力。套管单元为c3d8r，水泥环、地层的单元均为c3d8p，进行求解计算。

自动平衡地应力的操作方法是：在施加分析步模块时，选择地应力分析步，选择增量步的类型为自动，矩阵存储选择为非对称，直接迭代的方法，关闭几何非线性选项。

改变施工条件，如不同注蒸汽压力、不同注蒸汽时间、不同注蒸汽温度、不同注蒸汽速率；改变地层参数，如不同地层弹性模量、不同地层泊松比、不同地层渗透系数；考虑井底复杂工况，如不同水泥环厚度、不同套管偏心度。再次进行提交作业，以达到不同工况时热采井水泥环封固完整性的分析评价，需要注意的是，对提交的job命名应不同，以便于后处理的操作。

导出沿水泥环一界面至二界面的温度分布，导出一界面及二界面随时间变化的温度分布情况。通过abaqus后处理导出最大主应力、中间主应力、最小主应力分别为σ1、σ2、σ3，σc为不同温度下的抗压强度，如图3所示，剪切失效因子ηc计算公式为式(8)，其中，σc根据式11以及温度分布情况确定。导出周向应力s22为σh，σmax为不同温度下的抗拉强度，如图4所示。径向开裂失效因子ηt计算公式为式9，其中，σh根据式12以及温度分布情况确定。导出套管-水泥环界面和水泥环-地层界面的距离分别为ro和ri，界面失效的计算式为式10。当ηc和ηt超过1时，水泥环分别发生剪切失效和径向开裂失效；当ro和ri大于0时，水泥环发生界面失效。

此外，需要说明的是，本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代。应当理解，所属技术领域的普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下做出的其他实施例或者对部分技术特征进行等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的范围当中。